（模式识别与智能系统专业论文）基于支持向量机的dct域自适应数字水印技术.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 近些年来，伴随着数字技术和网络化的发展，数字产品的侵权、盗版现象越来越严重， 数字水印技术作为解决这一问题的有效的手段得到了广泛的关注。数字水印技术就是在数 字声音、图像、文档或视频码流中嵌入可见或不可见的标识信息水印，用以证明原创 作者对作品的所有权，或作为鉴定盗版或侵权的证据。 本文以数字图像水印作为研究对象，首先介绍了数字水印技术的发展概况，包括数字 水印产生的背景，发展历史，数字水印通信系统等。然后对国内外数字水印技术的研究现 状进行了分析，并重点介绍了d c t 域数字水印技术。为了实现嵌入水印不可见性和鲁棒 性的一个最佳折中，鉴于支持向量机具有良好的自学习能力，提出了基于支持向量机的 d c t 域自适应水印嵌入算法：通过研究人眼视觉模型，选取了影响图像纹理的图像边缘像 素数做为训练支持向量机的特征参数，建立了支持向量机的分类模型，对需要嵌入水印的 图像块进行分类，决定不同的嵌入强度，从而自适应的嵌入水印。 文章基于提出的算法进行了仿真，发现在经历各种常见的攻击后，提取出的水印识别 率都在8 0 以上，说明这种方法是可行的。 关键词：数字水印、d c t 变换、人眼视觉模型、支持向量机 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，晰t i lt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g ya n di n t e r a c t ，t h ep r o b l e mo fp i r a t i n g o fd i g i t a lp r o d u c t si sb e c o m i n gm o r e a n dm o r es e r i o u s d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei s d e e m e da sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h i sp r o b l e m i te m b e d st h ev i s i b l eo ri n v i s i b l em a r k i n f o r m a t i o n u w a t e r m a r k i n gi n t od i g i t a lp r o d u c t s ，s u c ha sd i g i t a ls o u n d ，i m a g e ，t e x to rv i d e o ，i n o r d e rt om a r ka n dp r o t e c tt h ec o p y r i g h to w n e r s h i po ra sap r o o ft od e t e rp i r a t i n g t h ep a p e rf o c u s e do nt h ed i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g ，i n t r o d u c e dt h eb a s i so f d i g i t a l w a t e r m a r k ，e x p l a i n e di t sb a c k g r o u n d ，h i s t o r ya n dc o m m u n i c a t i o nm o d e l t h e n ，t h ep a p e r a n a l y s i s e dt h es i t u a t i o no fw a t e r m a r kb o t hi nn a t i o na n da b o r d ，e s p e c i a l l yi n t r o d u c e dt h e t e c h n i q u eo fw a t e r m a r ki nd c td o m a i n b e c a u s eo ft h es i n g a le m b e d d i n gi n t e n s i t yc a l lc a u s e t h ep i c t u r e s b l o c ke f f e c t ，t h ep a p e rp r o p o s e da na l g o r i t h mo fw a t e r m a r ke m b e d d i n gi nd c t d o m a i nb a s e do nt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e b a s e do ns t u d y i n go fh u m a nv i s u a ls y s t e m ，t h ep a p e rc h o o s e dt h en t t m b e ro ft h ep i c t u r e s e d g ep i x e l sa st r a i n n i n gv e c t o rt ot r a i nt h es v m ，e s t a b l i s h e das v mc l a s s i f i c a t i o nm o d e l w i t h d e f e r e n tt y p e so fi m a g eb l o c k s ，w ee m b e dw a t e r m a r k 埘t i ld e f e r e n ti n t e n s i t y t h er e s u l ts h o w s t 1 1 a ta f f t e rm o s tc o m m o na t t a c k s ，t h ee x t r a c t e dw a t e r m a r k sh a v en cv a l u ea b o v e8 0 k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k ，d c tt r a n s f o r m ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，h u m a nv i s u a l s y s t e m n 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 盔纽么臣 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：物雄 导师签名：旌 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 恩格斯说过，工业对科学的需要比几十所大学更能推动科学的发展。同其他许多技术 一样，数字水印的出现有着它深刻的历史背景。 数字水印技术的出现和发展与信息技术的飞速发展、特别是上个世纪九十年代初万维 网( w w w ) 的出现和繁荣是分不开的。其造成的一个深刻影响就是计算机网络技术用户 的大众化：人们可以很方便的传播、拷贝、存储和处理图像、音频、视频和文本等多媒体 信息。与此同时，也引发了各种多媒体信息的传输安全问题和数字产品的版权保护问题。 在这样的背景下，数字水印技术诞生了! 它通过在数字作品中嵌入可见或不可见的信息来 确定数字产品的所有权或检验数字内容的原始性。数字水印技术是信息隐藏技术研究领域 的重要分支，也是当今网络信息安全和数字媒体版权保护研究的热点。它可以标识和验证 出数字化的图像、视频和音频记录的作者、所有者、发行者或授权消费者的信息，还可以 跟踪数字作品的非法分发，是目前进行数字作品版权保护的一种较为有效的技术手段。 关于数字水印研究的论述首见于t i r k e l 等人在1 9 9 3 年发表的一篇文章“e l e c t r o n i c w a t e r m a r k 1 】 以及随后发表的另一篇文章“ad i g i t a lw a t e 姗a r1 2 1 ( c o x 等人认为数字 水印技术到现在已经有5 0 年【3 j 的历史了，因为c o x 等人发现，m u z a c 公司的e m i l h e m b r o o k e 在1 9 5 4 年就记录了这么一个专利，通过在音乐中嵌入一个标识码用于表明作 品的所有权。但我们仍然以t i r k e l 等人第一次提出“w a t e r m a r k ”的文献的出现时间作为 现代意义的数字水印技术的开始) 。 1 1 1 数字水印研究现状 从t i r k e l 等人提出数字水印技术的概念以来的短短十几年时间里，数字水印技术的发 展可以说是日新月异，并逐步深入和成熟。特别是1 9 9 6 年5 月在英国剑桥召开第一届世 界信息隐藏国际会议【l 剐以来，信息隐藏，特别是数字水印技术得到了迅猛的发展，很多机 构都介入到该领域的研究，包括科研机构，比如英国剑桥大学，瑞士联邦工学院，n e c 普 林斯顿研究所，m i t 的林肯实验室，以及公司，比如微软，索尼，飞利浦等等。发表在学 术期刊、国际会议上的相关论文几乎是按几何级数的方式增长。我国的数字水印技术的研 究虽然起步较晚，但从1 9 9 9 年1 2 月召开第一届信息隐藏研讨会以来，我国在该领域的研 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一荦绪论 究也逐步发展起来，包括天津大学，北京邮电大学，中国科学院自动化研究所，中山大学， 浙江大学，西安电子科技大学，上海大学在内的诸多科研机构的学者都为此作出了贡献。 最近水印技术的研究集中在增强水印的鲁棒性方面，同时又要兼顾水印的不可感知特 性。使用扩展频谱、纠错编码、混沌理论、信号处理、频谱分析等理论和工具提高水印的 鲁棒性；通过引入人眼视觉模型等方法提高水印的不可感知性。同时，水印的载体从图像 扩展到音频、视频、数字地图、数据库等；嵌入域也从时域变换到频域、压缩域等。 1 1 2 支持向量机在数字水印中的应用 数字水印的作用在于保护数字作品的版权信息，这些水印信息当然是越安全越好，这 就要求其提高嵌入强度，增强其鲁棒性。但是这样做有一个后果，那就是会降低数字作品 的感知特性，对于一些提供来让人欣赏的数字作品，例如照片、音乐等，如果水印破坏了 其感知特性，那就得不偿失了。因此，一些学者提出了自适应水印嵌入技术。其基本原理 是：充分考虑原始载体的局部特征，使得水印嵌入的位置、强度随着局部特征的变化而变 化，最终得到不可见性和鲁棒性的一种最佳折中。 目前，有很多学者在从事这方面的研究。如文献 2 2 】在块方差越大的地方嵌入的水印强 度越大，而方差一旦小于某个阈值就不嵌入水印。文献 2 3 1 利用分形维数分析图像块内容， 根据图像块内部以及相邻图像块之间的方差特性，选出能够反映图像自身特征的边缘区、 弱纹理区和强纹理区，然后将水印以不同的强度自适应地嵌入到所选的特征块的d c t 域 中频系数中，而更多的学者，则是根据人眼的视觉感知特性，利用神经网络 2 4 1 、模糊聚 类分析 2 5 ，2 6 、遗传算法 2 7 1 等，找出图像中最佳的水印嵌入位置，然后结合图像的局部 相关性，自适应地调整水印的嵌入强度，获得了较好的综合效果。 支持向量机( s v m ) 是统计学习理论当前的一大研究热点，它是1 9 9 5 年v a p n i k 根据 结构风险最小化原则提出的一种新的学习算法1 2 引，能被用作模式识别和非线性回归。支持 向量机较好的解决了小样本、非线性、高维数、局部最小点等实际问题，一些学者已经将 神经网络【2 4 】成功的应用与数字水印的研究中，因此，将支持向量机应用与自适应数字水 印技术应该是可行和有效的。事实上，已经有研究者从事了这方面的研究。文献 3 6 的作 者在空域中研究了基于支持向量机的自适应数字水印技术。 将支持向量机应用与自适应水印嵌入技术，与基于神经网络的自适应水印嵌入技术相 比较而言，一方面支持向量机巧妙的引入核函数实现了非线性分类，训练复杂度与样本数 无关；另一方面由于支持向量机在经验风险和函数集容量之间作了个折中，从而防止了过 学习，提高了推广能力。即只需要少量的训练样本就可以获得较低的检测误码率。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第章绪论 1 2 本文的主要工作与章节安排 本文的主要工作包括： ( 1 ) 对数字水印技术做了全面而系统的研究，并针对其中的图像数字水印技术做了详 细的介绍，对c o x 等人的基于扩频技术的d c t 域数字水印嵌入算法进行了仿真试验，分 析了其存在的优点和不足。 ( 2 ) 介绍了支持向量机的相关理论，对其在自适应水印嵌入技术中的应用作了较为深 入的研究，提出了一种基于支持向量机的d c t 域自适应水印嵌入算法，并通过仿真试验 证明了其性能。 全文组织如下： 第一章为绪论，首先介绍了研究背景和意义；接着介绍了数字水印技术的研究现状； 然后讨论了将支持向量机应用于数字水印技术的可行性和有效性；最后介绍了本文的主要 工作和创新之处。 第二章介绍了数字水印技术的概况，包括数字水印通信模型和数字水印技术的发展。 第三章介绍了d c t 域的数字水印算法，并结合c o x 等人的算法进行了仿真试验，分析 了其存在的优点和不足。 第四章简要介绍了支持向量机的基础理论知识以及应用。 第五章较为深入的研究了支持向量机在自适应水印技术中的应用，提出了一种基于支 持向量机的d c t 域自适应水印嵌入算法，并通过仿真试验证明了其性能。 第六章为总结，本章归纳了作者两年多来在数字水印研究方面所做的工作，分析了本 文的算法的有效性并对可进一步展开研究的方向讲述个人看法。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数! # 水印概述 第二章数字水印概述 2 1 数字水印通信系统 目前通常将数字水印看做是一个通信过程【4 】这里我们将以一个数字图像水印系统为 例来分析数字水印技术，而其他媒体的数字水印通信机制应该是大同小异的。 一个完整的数字图像水印的通信系统模型如图2 1 所示。要传递的消息包括原始图像 p 和原始消息m ，通常消息先用密钥k 通过一个加密器e c 加密得到适合于嵌入的水印 w 。将得到的水印w 与原始图像p 通过一个水印嵌入器e w 产生一个嵌入了水印的图像 p w 。在进行水印检测之前，嵌入了水印的图像p w 可能受到各种有意无意的攻击，从而 对p w 造成一定的改变，这里我们假设为通信系统的信道。这些攻击对嵌入水印后图像的 影响可以看做通信系统中的信道噪声n ，嵌入了水印的图像p w 进过该信道后可以得到受 到噪声污染的图像p w 。在检测端，p w 通过还原图像处理可以得到一个还原的图像p 。 通过水印检测器d w 可以从p w 中检测到一个水印的估计w ，将w 送入解密器d e ， 用密钥k 解密后得到消息m ，它是原始消息m 的一个估计。考虑到图2 1 所描绘的数 字水印系统的复杂性，本文更注重研究从水印嵌入器到水印检测器之间的模块。 图2 - 1 数字图像水印的通信系统模型 2 2 数字水印技术的发展 从t i r k e l 等人提出数字水印技术的概念以来的短短十几年时间里，数字水印技术的发 展可以说是日新月异，并逐步深入和成熟。现在，在i e e e 的搜索栏中输入w a t e r m a r k 这个 关键字，会找到4 0 0 0 多篇相关文献。这里，我们将数字水印技术的发展分为四个大类加 以论述，这四个大类分别是数字水印算法的设计、数字水印攻击、数字水印算法的测试及 评判、数字水印技术的理论研究。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字水印概述 2 2 1 数字水印算法的设计 对于数字水印嵌入和提取技术，纵观近几年来相关的报道和文献，从整体框架到具体 细节，可以说是百花齐放，设计思想往往取决于研究人员的研究背景和不同的入手角度。 本文总结了现有文献提出的算法，将其分为以下几个部分： 2 2 1 1 空间域水印算法 空间域水印算法指的是实现水印嵌入和提取的过程全部在空间域完成，不需要转到变 换域。最早提出的空间域算法是最低有效位法l s b ( l e a s t s i g n i f i c a n t b i t s ) ，其思想是将水印信 息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素低位上【l 2 】，这些位置最不容易引起图像在视 觉上的较大变化。但作为数字水印算法，尽管其有较大的信息嵌入量，因其基本原理限制， 所隐藏的数字水印信息是极为脆弱的，无法经受一些有损的信号处理( 如滤波、图像量化、 几何变形、j p e g 压缩等等) 。b e n d e r 等人提出了一种基于统计学的数字水印方案 ( p a t c h w o r k ) ，主要用于打印票据的防伪。它是利用像素的统计特征将信息嵌入到像素的 亮度值中。首先随机选择n 对像素点( a i ，b i ) ，然后将每个a j 点的亮度值增加l ，每个 b i 的亮度值减l ，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当的调整参数，可以对j p e g 压 缩、f i r 滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力。但该方法嵌入的信息量较少，对仿射变换敏 感。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每个图像块进行嵌入操作。 2 2 1 2 变换域水印算法 变换域水印算法与空间域算法不同，它指的是嵌入或提取水印的过程中，需要先将图 像转换到变换域，然后再把水印嵌入到图像的变换域系数中。变换域算法通常具有鲁棒性 强、隐蔽性好等特点，对噪声、图像压缩和图像滤波均有较强的抵抗力。其中一些水印算 法结合了当前的图像和视频压缩标准( 有人将此归纳为压缩域水印，在本文中我们就以变 换域算法来介绍) ，因此具有很大的实用意义。从目前的情况看，变换域方法已经成为水 印技术研究的主要方向。目前，变换域的水印算法大体可以分为以下几类：离散傅立叶变 换d f t 域、离散余弦变换d c t 域、离散小波变换d w t 域、奇异值分解s v d 。本文使用 的是d c t 域，将在第三章重点介绍d c t 域的算法。 ( 1 ) d f t 域的算法 d f t 是一种经典而有效的数学工具，d f t 域算法有利于实现水印的仿射不变性，而且 可以利用变换后的相位信息嵌入水印。0 r u n n a i t h 提出了两种d f t 域的水印算法。一种是 南京邮电大学硕：研究生学位论文第一二章数字水印概述 将水印嵌入到d f t 系数的相位信息中，其依据是h a y e r s l s o l 的结论“从图像可理解的角度， 相位信息比幅度信息更重要 。另外一种算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。 但d f t 域的方法比较复杂，效率较低，而且与国际压缩标准不兼容，限制了它的应用。 ( 2 ) d w t 域的算法 自从小波技术成为m p e g 4 及j p e g 2 0 0 0 压缩标准的核心技术以来，基于小波域的水 印算法越来越多。在小波域嵌入水印的原因是：可以防止由于j p e g 2 0 0 0 有损压缩而造成 的水印消除；可以利用信源编码领域对图像失真的可见性研究成果来控制水印的潜入位置 和嵌入强度；可以实现在压缩域直接嵌入水印。此外，利用小波多分辨率分析可以更好地 控制水印在宿主图像中的分布，更好的解决鲁棒性和可见性之间的矛盾。 2 2 2 数字水印算法的攻击 正如研究加密的人必须熟悉各种破解方法一样，研究数字水印的人也必须通晓各种攻 击方法。简单的攻击方法有线性滤波，几何变换、j p e g 压缩等基本的基于信号处理方法 的攻击。还有c o x 等人提出联合攻击【5 1 ，c r a v e r 等人提出的利用水印算法提取水印时需要 原始图像的弱点而提出的解释攻击( 又称i b m 攻击【6 1 7 】) ，以及m a r t i nk u t t e r 等提出的拷 贝攻击等一些特殊攻击方法。但对于各种攻击方法，人们也提出了相应的应对措施。关于 水印攻击更多的介绍可以参考文献 8 ，9 等。数字水印技术就是在这种攻防技术的不断斗争 中前进的。 2 2 3 数字水印算法的测试及评判 在水印测试方面，m a r t i l lk u t t e r 等提出了一个公平的测试及评价水印算法的一般性框 架o l ，而且相应的测试水印算法性能的软件s t i r m a r k 【1 1 1 ，o p t i m a r k t l 2 1 ，c h e c k m a r k t l 3 】 也已经出现。然而，由于目前数字水印的很多性能指标无法用一个确定的量来衡量，这些 软件的测试结果只能是一种参考量，而具体的数字水印算法的性能要求还需要根据具体的 应用来确定。在文献【1 4 】中，张华熊等人对d c t 域图像水印方案的可靠性进行了分析，指 出全局d c t 域的图像水印方案的检测误检率与图像无关，而只取决于嵌入水印的长度和 强度因子。 2 2 4 数字水印的理论研究 在理论方面，最初的水印系统将原始的媒体数据当作噪声来处理：在非盲的水印系统 中，接收方通过将接收到的信息与原始的媒体数据相减从而得到水印信息；在盲的水印系 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字水印概述 统中，接收方通常根据媒体数据噪声模型设计相应的最佳接收机实现检测。c o x 等从水印 的检测方【4 】出发，将宿主媒体看成通信系统的状态信息，据此得出数字水印是一个带有边 信息的通信过程的结论。c a e h i n 用似然假设检验理论分析了在受到被动攻击情况下的隐蔽 通信的信息论模型，并且将此情况下隐蔽通信系统的安全性用原始宿主媒体与嵌入信息后 的媒体的相对熵加以量化。m o u l i n 则从香农的信息论出发，得出了在数字水印通信系统中， 最佳攻击策略是解决一个失真率问题，而最佳嵌入策略则是解决一个信道编码问题的结 论。 2 3 数字水印分类 根据不同的基准可以将数字水印系统分为不同的类别，这里我们给出几个常用的分类 方法( 以下论述以数字水印系统为例，而其它媒体的数字水印分类应该是大同小异，相关 的标记可参考图2 1 ) 。 ( 1 ) 鲁棒水印、脆弱水印 鲁棒水印指当嵌入水印后的图像p w 与受到攻击后得到的图像p w 存在差异时，水印 检测器仍然能从中检测出水印。相反脆弱水印可以检测出p w 与p w 之间的细微差别。 ( 2 ) 可见水印、不可见水印 顾名思义，可见水印就是嵌入的水印可被人眼察觉，而不可见水印就是水印嵌入图像 后，人眼无法察觉图像中的水印。 ( 3 ) 盲水印和非盲水印 盲水印系统指在水印检测时不需要原始图像参与的系统，相反，当检测时需要原始图 像的系统称为非盲的水印系统。 以上是几个常用的水印分类方法，当然还有很多其他的分类方法，比如根据嵌入时的 操作对象不同将其分为空域水印和变换域水印。所谓空域水印指嵌入水印的操作对象是原 始图像的各个像素，比如 1 ，2 】中的水印算法。而变换域水印通常将原始图像先进行变换， 嵌入水印的操作对象是变换域上的各个系数。 2 4 数字水印的性能参数 如何衡量一个数字水印系统的优劣，目前仍然没有一个统一的标准，一方面，不同的 应用对数字水印系统有不同的要求，另一方面，有些数字水印性能参数很难用一个具体的 数值来表示。比如不可感知性，对应于数字图像水印，则是指嵌入水印后的图像与原始图 像的视觉差别。然而，区分两幅图像受观察者主观因素的影响很大，因此如何定量表示两 7， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二二章数字水印概述 幅图像之间的视觉差别是件困难的事情。这里我们给出些基本的用于衡量水印性能的参 数，而更多的参数仍然需要根据具体的应用提出。 2 4 1 感知质量 ( 一) 主观评价 所谓感知，从严格意义上来说是一个属于入主观意识范畴的概念。因此对于图像的感 知性能，人类的主观评价是非常重要的。由于每个人的视觉敏感度不同，同一个人在不同 时间、不同年龄、不同环境下表现出的敏感度也不同，所以主观评价需要大量的人群做大 量的实验才能说明问题。感知是由外界刺激引起，人感到某个刺激存在或刺激发生变化所 需刺激强度的临界值称为感觉域值。感觉域值又可分为绝对感觉域值和差别感觉域值。绝 对域值是指最小可察觉的刺激量，也就是5 0 可能被察觉的最小刺激量。差别域值是指刚 能引起差别感觉的两个刺激之间的最小差异量。在水印不可见性评价中，常用j n d 来评价 图像间的差异，在刺激变化时所产生的最小感觉差异就是j n d 。在二选一的迫选实验中( 让 实验者在原图像和加有水印的图像中判断哪幅图像加有水印) ，人们将有5 0 正确率的那 组原始图像和加有水印的图像之间的差异称为零j n d 。 观察者的主观评价可以分成绝对评价和相对评价两类。绝对评价是由观察者根据事先 规定的评价尺度或自己的经验对图像作出判断和评价。必要时，可提供一组标准图像作为 参照系，帮助观察者对图像质量作出合适的评价。表2 1 给出国际上通用的五级质量尺度 和妨碍尺度。一般人员常用质量尺度，专业人员多用妨碍尺度。相对评价是由观察者对一 组图像按质量高低进行分类，并给出质量分数。为了保证图像质量主观评价的客观性和准 确性，可用一定数量观察者的质量分数平均值作为最终主观评价结果，其平均分数定义为： ( 2 - 1 ) 其中，c j 为属于第i 类图像的质量分数，毛为判断该图像属于第i 类图像的人数。观察 者中应包括一般人员和专业人员两类人员，人数应多于2 0 ，这样得出的主观评价结果才具 有统计意义。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字水印概述 表2 1 图像质量主观评价 质量妨碍尺度质量尺度 分数 5丝毫看不出图像质量变坏很好 4可看出图像质量变化但不妨碍观看 好 3明显的看出图像质量变坏一般 2图像质量对观看有妨碍 差 1图像质量对观看有严重妨碍很差 ( - - ) 客观评价 主观评价的缺点就是评价结果因人而异，人们往往希望找到一种客观的评价方法，将 感知差异量化为一定的数值，根据数值的大小来评定感知质量。这种量化后的数值称为感 知距离。通常有以下几种方法来对图像质量进行客观评价。 1 、均方差m s e 衡量加油水印的图像和原始图像质量上的差异，可以用图像间的均方差表示，公式如 下： 脚2 高萎善( 地川一帕槲 q 。2 ) m x n 是图像的尺寸，l ( x ，y ) 表示原始图像各像素，( z ，y ) 表示加有水印图像的各像 素。若图像是r g b 图像，先要将其转化为灰度图像再进行计算。根据上面的公式计算出 的误差实际是评价对象在亮度上的误差。 m s e 虽然计算简单，便于理解，但在实际应用中会造成对图像感知质量低估或高估的 结果。 2 、峰值信噪比p s n r 可以将水印系统看作一个通信系统模型。原始图像好比通信信道，水印信号可以认为 是随机噪声。在水印不可见评价中，用以下公式定义加有水印的图像的峰值信噪l l ( p s n r ) ： p s n r ( d b ) ：1 0 1 。g l 。矿广旦型一 ( 2 3 ) ( 地，y ) 一( x ，y ) ) 2 j ly = l m x n 是图像的尺寸，( x ，夕) 表示原始图像各像素，1 w ( x ，y ) 表示加有水印图像的各像 素，d 是信号的峰值。对于8 位图像而言，每个像素的峰值就是2 5 5 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字水印概述 2 4 2 负载 一个能嵌入2 比特信息的水印系统负载是另外只能嵌入1 比特信息的水印系统负载的 两倍。虽然在某些简单的数字水印系统中只要求嵌入一个比特的信息，但更多的系统要求 嵌入更多的信息。关于数字水印系统的负载，与通信系统中研究的在给定信道环境下的信 道容量问题类似，而关于信道容量的研究，从香农的经典论著【1 7 1 就已经开始了，其中有很 多方法值得我们借鉴。 2 4 3 算法复杂度 算法复杂度是目前很多数字水印算法忽视的一个性能指标，但在实际应用中，该性能 指标将直接影响到水印系统的可行性，可靠性。比如下文将要介绍的广播电视节目数字水 印监控系统中，通常要求系统能进行实时处理，否则将增加系统受攻击的风险。而且在该 系统中，增加计算速度将提高嵌入容量，增强系统的实用性和可靠性。 以上是一些衡量水印性能的基本指标，它们之间存在着一定的相互制约关系。比如为 了提高系统的负载，通常会降低嵌入水印后图像的质量，而如果要保持原有的图像质量， 一种方法是降低嵌入水印的强度，则最终将降低检测可靠度。而且提高系统的负载，也将 增加计算量。因此在进行算法设计时，应该综合衡量这些指标，对各种应用环境区别对待。 而且，实际应用中针对不同的攻击，可能有其他更具体的性能指标，这需要我们根据具体 应用环境来确定。 2 5 典型的数字水印的应用 正如我们在前面绪论指出的一样，数字水印技术的出现和发展都有着它深刻的历史背 景。但如同其它许多技术的发展一样，当一种技术发展到一定阶段，必将在其它领域找到 它的应用。接下来我们给出了几个典型的数字水印应用实例，并分析了这些具体应用环境 对数字水印技术的要求， 2 5 1 版权保护 数字水印最基本的应用就是版权保护。设想如下一个场景：a 从i n t e r n e t 上下载了一 首歌曲，b 说这首歌的版权是他的，这时法官c 该如何裁决呢? 在传统的版权保护模式中， 通常有一个版权争论双方都信任的第三方d 存在，b 只要在发布他的作品之前到d 那里注 册他对产品的所有权，则当出现版权争论时，c 只要询问d 就可以知道作品的版权是谁的 1 0 堕塞些皇盔兰堡主婴窒生兰垡丝壅蔓三雯鍪主查婴塑堕 了。但是在信息爆棚的今天，这种方式已经落伍了。现在，一部数字作品通过网络可以迅 速的传遍全世界，而且其中有些作品出于保密的目的不便与去第三方登记，有些情况则是 这个共同信任的第三方根本不存在。因此，版权的保护很大程度就只能依靠作品版权所有 者b 自己了，这时，他可以利用水印技术实现版权的保护。 b 只要在发布他的作品前将自己的版权信息标识以水印的形式嵌入到作品中，而且发 生版权纠纷时，他能唯一从中提取出该标识，同时不会产生任何歧异，则可以认为此时嵌 入的水印起到了版权保护的作用。通常认为，用于版权保护的数字水印应该满足以下一些 要求： ( 1 ) 不可见 ( 2 ) 鲁棒性 ( 3 ) 低的虚警概率和漏警概率 2 5 2 广告播出监控 在这个场景中存在四方，这里我们假设为a 、b 、c 、d 。其中a 和c 为两个电台，b 和d 分别为a 和c 的广告商。a 与b 达成一个协议，b 赞助a 的一段节目，但a 在播出 节目时要插播b 的广告，即使节目被转播，这两者( 节目和广告) 必须保持完整，也即， 转播节目必须转播广告。同时a 和c 达成一个协议，c 可以转播a 的节目，但c 必须遵 守a 与b 达成的节目完整性协议：转播节目必须也转播广告。但c 似乎并不想履行该协 议，用d 的广告替换掉了节目中b 的广告。a 和b 该怎么办? 利用数字音频水印技术实现广告播出监控，可以有效的解决上面的问题。 a 在播放节目之前，在b 的广告中嵌入水印标识；同时对c 转播的a 的节目进行监 控，如果在c 转播的节目中不能检测到该水印标识，则可以断定c 违反了节目完整性协议。 此时数字水印的要求包括： ( 1 ) 实时性 任何将接收到的音频数据进行存储供处理以后都将减少系统的可靠性，因为存储的数 据增加了受到攻击的可能。 ( 2 ) 盲检测 比如实况解说，此时不可能提供一个原始媒体的拷贝给检测端。 ( 3 ) 同步检测 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字水印概述 设想一下，广播信号通过大气传送到接收端。此时，接收端不可能知道广播出来的音 频信号什么时候到达，因为从发送端到接收端的传输时间受大气环境，两者之间的距离的 影响，而这两者在实际中是完全随机的。 ( 4 ) 不可感知性和鲁棒性 这其中必须具有能抵抗d a 和a d 转换攻击的鲁棒性。 这种水印还可以推广到视频广播，计算机网络上各种涉及到信息转载的应用领域。 以上给出的例子只是数字水印技术应用的很小一部分，数字水印的其他应用还包括数 字签名、数字指纹等等。而且，不同领域可以根据具体的环境要求，结合数字水印的性质 加以利用。 2 6 本章小结 本章对数字水印技术做了比较详细的介绍，包括数字水印通信系统的结构组成及各部 分的功能：数字水印技术的发展，其中涉及到了数字水印算法的设计、攻击、测试及评判 等等；另外，本章还介绍了数字水印的分类、性能指标以及应用等内容。相信通过本章的 介绍，大家能够对数字水印技术有一个比较清楚的了解。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章d c t 域的数字图像水印技术 第三章d c t 域的数字图像水印技术 无论怎么强调d c t 域的数字水印技术在数字水印技术发展中的地位都不为过，一方 面，d c t 域确实是一个很好的数字水印信息载体，在d c t 域嵌入水印能达到很好的性能 要求( 包括好的不可感知性和鲁棒性) ，另一方面，很多数字水印的新方法，新思想都是 在d c t 域上先实验，然后再推广到其他域，或者应用到其他的数字水印方法中的。在i e e e 的文献数据库中，输入d c t 和w a t e r m a r k 关键词，可以搜到3 7 3 篇文章，占了全部w a t e r m a r k 关键词搜到文献的近9 。 本章我们对d c t 域的数字水印算法的发展进行了简单的回顾，通过一个简单的d c t 域的图像数字水印算法的实例对d c t 域算法的性能进行了分析。 3 1d c t 变换 d c t 变换是次最优正交变换，其性能接近于理想的k l 变换。但与k l 变换相比， 它存在与信号较为匹配的独立变换矩阵，而且发现了很多快速算法，因此在信号处理中获 得广泛应用，比如j p e g ，m p e g l 2 ，h 2 6 * 等图像、视频压缩标准中。虽然基于d w t 的编 码和应用对传统的基于d c t 的编码和应用提出了挑战，但d c t 的发展并没有停止，d c t 仍然具有广阔的应用和发展空间，值得我们进一步研究，关于d c t 编码的现状及发展可 以参考文献【1 9 】。 一维的d c t 变换的表达式如式( 3 i ) 所示。 掣2 扣叶百2 沙n - i 啦。s 紫+ 协。， 等薯脚) c o s 鼍产+ 万2 刍n - i 备n - i 脚) c o s l ( 2 x + r d u n 鼍产 式中f ( u ) 为第u 个余弦变换系数，u 为广义频域变量，u - o ，1 ，2 ，n 1 ；f ( x ) 为时 域中x 点的值，x = 0 ，1 ，2 ，n 1 。 一维离散反余弦变换由式( 3 2 ) 表示： m ) = 后邢) + 括篓砌1 ( 2 x + r 1 ) u ，r ( 3 - 2 )厂( z ) 2 专f ( o ) + 专善f ( “) c o s 1 万一 对于二维的离散余弦变换，他的定义表达式如式( 3 3 ) 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章d c t 域的数字图像水印技术 ，( 甜，v ) = 寺m ，y ) u , v = 0 vp 0y = 0 菁_ 等萎n - 1 驴n - i 川- c o s 紫 v t - 、 万,q2白n-i缶n-i厂()cos百(2x+1)vtc 扰= o 万缶n - 1 缶n - ! m 小。s 鼍笋c o s 焉竽其他 兵甲f ( x ，y ) 为至1 日j 域甲的二维l 司重，对于图1 冢即为点( x ，y ) 处的像素值，x ，y = 0 ， 1 ，2 ，n - 1 ，f ( u ，v ) 为变换系数矩阵，u ，v = 0 ，1 ，2 ，n 1 。 二维离散反余弦变换表达式如式( 3 4 ) 所示。 m 川= 扣毗等孰帅s 紫+ 、 等薯脚) c o s 号产+ 万2 刍n - i 备n - i 脚) c o s l ( 2 x + r 1 ) u x 产 3 2d c t 变换域的数字水印技术及其发展 一幅自然图像，经二维d c t 变换后，其主要能量将集中于左上角的低频部分，而较 小的高频分量通过量化( 采用比低频分量量化阶更大的值量化) 将变为长的连零，这是通 常的基于二维d c t 变换图像压缩标准的基本思想。此时虽然丢失了一些高频信息，但由 于人眼对高频信息相对不敏感，因此这样处理后的图像仍然能保持高的图像质量。 然而，这一处理方法可以为水印攻击者所用。在上一章我们提到的基于l s b 位平面调 整的数字图像水印算法中，嵌入在图像l s b 的数字水印信息在图像受到品质因数为9 5 的 j p e g 压缩的情况下会基本全部丢失。这是因为一幅图像的l s b 通常是其高频部分的信息， 而j p e g 压缩正是采用了上面的基于二维d c t 变换的图像处理方法，因此经j p e g 压缩后 的水印信息基本全部丢失并不奇怪。 较早提出在图像的d c t 域嵌入水印算法的是k o c h 等人【2 0 , 2 1 1 ，但该方法由于在选取 d c t 块时的随机性，与实际图像无关，造成嵌入水印后的图像质量明显下降，而且容易受 到合谋攻击【5 】。为此，c o x 等人指出，为了提高水印系统的抗攻击能力( 鲁棒性) ，应该 将水印信息嵌入到图像的感知较重的中、低频系数中。考虑到该算法在数字水印发展中的 巨大启示作用，以及后面我们的算法也是在该算法基础上发展起来的缘故，接下来，我们 简单介绍一下c o x 等人提出的在d c t 域进行的基于扩频技术的数字水印算法，并通过仿真 实验分析其存在的优点和不足。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章d c t 域的数字图像水印技术 3 2 1 基于扩频技术的数字水印算法 为了提高数字水印系统的检测性，c o x 等人的d c t 域水印算法采用了扩频技术【5 j ，即 用水印码作为伪随机序列生成的种子生成一个长度为i = 1 0 0 0 高斯伪随机序列，将此序列 嵌入到d c t 域的交流系数绝对值最大的，长度为i = 1 0 0 0 的频率系数上，从而实现了扩频 的目的。由于高斯序列良好的相关性，对嵌入方只需在每个频点上嵌入较少的能量( 将水 印能量分配到各个频率上) ，接收方都能利用高斯序列的这一性质实现水印检测。此时对 于水印攻击者，他必须找到全部的i = 1 0 0 0 个频率点以及相应的嵌入顺序才能实现有效攻 击。而且，c o x 等人指出，采用高斯序列还可以抵抗合谋攻击。 3 2 1 1 数字水印的嵌入 水印的嵌入包括以下几个步骤。 1 给定图像a ，对其进行全局d c t 变换，得到d c t 系数矩阵b 。 2 选取b 中交流系数绝对值最大的1 0 0 0 个交流系数作为宿主媒体数据哆 ( 1 f 1 0 0 0 ，以后相同的下标表示相同的取值范围) 。 3 按下述公式嵌入水印。 t = v + 吒 ( 3 - 5 ) 其中a 为水印强度因子，薯为由水印码产生的高斯白噪声的随机序列，作为水印，v ：为 嵌入水印后的系数。 4 用v ：代替系数矩阵b 中的m ，得到嵌入水印后的系数矩阵b 。，再将b 进行全局的逆 d c t 变换，即得到嵌入水印后的图像。 3 2 1 2 数字水印的检测 水印的检测基本上是水印嵌入的逆过程： 1 给定待检测图像a 及原始图像a ，对其进行全局d c t 变换，得到d c t 系数矩阵 和b 。 2 取b 中交流系数最大的1 0 0 0 个交流系数v ，并在b 中选取与v 在b 中同位置的1 0 0 0 个交流系数订，两者相减得到i ，如式( 3 6 ) 所示。 x ? = v ? 一m( 3 - 6 3 - 0 ) = m h l ， 1 5 南京邮r “人学碗i j 研究生学位论文 第三帝1 2 o r 域的数4 图像水印拙术 3 将f 与一做相关，取其相关系数p ，如式( 3 - 7 ) 所示 笠如 口。 4 由高斯序列的良好相关性，则对于给定闽值风，可以做如下判决 i fp s p c , ，t h e n 水印不存在， e l s e 水印存在。 下面，我们通过实验分析一下c o x 等人的方法其优点和存在的不足 ( 3 - 7 ) 3 2 2 仿真实验 实验中，我们采用了图像处理领域中比较常见的几幅图片进行水印的嵌入和提取，比 较在没有受到攻击和受到攻击时提取出的水印有什么不同。 首先展示在没有受到攻击时，水印嵌入和提取的效果，如图3 1 所示： 水印提取的水印 原图像嵌 馘回国 峨嵌嚼回回 南京 u 大学砸l 研究生学位论立第= 口d c t 域的敛字目像m 自嵫术 越嵌嚣回国 凼嵌西回国 图3 - 1 以上载体图片均采用3 8 4 + 3 8 4 ，位深度为8 的狄度图片；水印采用的是2 0 * 3 0 的二值 图像；水印嵌入强度为固定值03 ；得到的嵌入水印的图像如上图所示，以b a b o o n 图像为 倒，此时的p s n r = 4 49 1 ，比较嵌入前和嵌入后的两幅图片，我们可以看到两者几乎没有 区别，说明算法实现了不可见性。另外，在没有攻击的情况下，算法可以下确无误的提取 出水印。 接下来，我们再来看一下当图片受到攻击后提取水印的效果。限于篇幅，我们只采用 l e n a 这幅图片，检验它在经受各种攻击后提取出的水印的效果。 aj p e g 压缩攻击 木目 女日的女目 目 # r 目 瓯蕊回国 a b 图3 2 水印在受到j p e g 压缩攻击时的情况 一瓯胁瓯 南京邮电大学颈士研究生学位论文 第三章d c t 域的数字图像水印技术 彘蕊崮豳彘西崮蔺 鲎蛐谶宜筐 i 疏谶。国圆